PANORAMICA SULLA ZINCATURA

 

FENOMENI CORROSIVI

L' acciaio è un materiale così versatile e facilmente reperibile da essere usato in tutte le industrie, ma ha il grande problema di essere molto vulnerabile alla corrosione.Da sempre l'uomo si è impegnato a preservare e riparare le proprie opere, ma tali attività di conservazione sono diventate ancor più rilevanti negli ultimi anni a causa dei fenomeni demolitivi indotti dai crescenti livelli di inquinamento.Da recenti stime risulta infatti che la corrosione distrugge ogni anno nel mondo quasi cento milioni di tonnellate di soli materiali ferrosi.

In natura il ferro, come tutti gli altri metalli,  è generalmente presente sotto forma di ossidi e sali. Dai minerali viene estratto mediante processi metallurgici che, attraverso la trasformazione di differenti forme di energia in energia chimica , lo portano ad uno stato energetico più elevato rispetto a quello di partenza. Tuttavia, come è noto, stati di alta energia sono indice di instabilità: pertanto attraverso la corrosione il ferro, come gli altri metalli, tende a tornare allo stato naturale di bassa energia, maggiormente stabile.

Inoltre, se indaghiamo sulle caratteristiche chimico-fisiche dei metalli scopriamo che essi tendono a delocalizzare sull' intera struttura metallica gli elettroni più esterni. In tal modo essi possono essere facilmente catturati da specie chimiche che tendono ad acquistare elettroni. Quando si verifica tale perdita, nel metallo si manifesta una repulsione elettrostatica tra cariche positive in eccesso che provoca il distacco di ioni positivi dal corpo metallico per ripristinare la preesistente condizione di elettroneutralità. Si innesca così un progressivo processo di corrosione.

La corrosione è dunque determinata da fenomeni elettrochimici che si instaurano tra materiali che, ossidandosi, ossia perdendo elettroni, vengono corrosi e agenti di corrosione che acquistano tali elettroni riducendosi. Pertanto una specie chimica può essere corrosa se tende a perdere elettroni ed è dotata di potere corrosivo se è in grado di acquistare elettroni.

Tale propensione non è  assoluta per le singole specie, ma ha carattere relativo. Di volta in volta è necessario confrontare i cosiddetti potenziali di riduzione dei materiali in questione per determinare quale specie sarà corrosa e prevedere l' entità di tali fenomeni.

Avvalendosi della serie dei potenziali standard di riduzione si cercano i valori dei potenziali relativi alle specie in gioco. Se il potenziale della specie che si presume corroda segue nella serie il potenziale del materiale corrodibile, si verificherà la corrosione: tanto più quanto maggiore è la distanza tra le due coppie confrontate.

Situazioni potenzialmente corrosive per le strutture metalliche sono i contatti con soluzioni acide e prodotti di conglomerazione, l' esposizione ad aria umida, i regimi di differente aerazione dei corpi metallici, le atmosfere acide, l' esistenza di squilibri elettronici e le dispersioni di corrente.

In aria umida, ad esempio, la sola presenza di ossigeno e acqua è in grado di innescare una reazione che chiama elettroni, e perciò ossidazione corrosiva, in tutti i metalli tecnologicamente più importanti. Se poi, come nel caso delle piogge acide, l'aria presenta una certa acidità, l'aggressività è decisamente superiore.

Fenomeni di notevole corrosione si verificano, inoltre, ogni qualvolta vengono posti a stretto contatto metalli caratterizzati da potenziali di riduzione molto differenti. In simili situazioni il materiale con potenziale maggiore è in grado addirittura di deformare verso di sé la nube elettronica dell' altro componente, determinando uno squilibrio elettronico all' interno del corpo metallico.

Infine, cattivi isolamenti elettrici dei materiali metallici in opera nelle costruzioni, in particolare in strutture interrate di siti industriali, possono generare dannose dispersioni di corrente. Infatti, se il terreno riceve correnti elettriche provenienti dalla "messa a terra" di apparecchiature elettromeccaniche, macchine elettriche o mezzi di trasporto, data l' umidità e la composizione ricca di sali, si dimostra un buon conduttore. Contatti di vario genere e isolamenti in corrispondenza di giunzioni comportano uscite di corrente elettriche dalle strutture metalliche interrate, con inevitabile produzione di gravi fenomeni di corrosione. 

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METODI DI PREVENZIONE

Per contrastare la corrosione è necessario, quando possibile, eliminarne le cause risanando gli ambienti con varie metodologie, ad esempio impedendo la formazione di atmosfere aggressive e rimuovendo le eventuali tensioni presenti.

Tra gli interventi di questo tipo rientrano le operazioni di addolcimento e degasazione delle acque. In tal modo si tenta, rispettivamente, di evitare la corrosione dovuta ad aerazione differenziale della parte di supporto incrostata rispetto al resto del corpo metallico e si eliminano le cause di corrosione diretta.

In ogni caso, per preservare le strutture metalliche delle aggressioni esterne è possibile ricorrere a rivestimenti protettivi.

RIVESTIMENTI SUPERFICIALI   Per impedire il contatto con l' ambiente, che può provocare la corrosione, le superfici metalliche possono essere verniciate, coperte con fogli di materiale plastico, smaltate o metallizzate. In generale i rivestimenti risultano tanto più efficaci quanto più spiccate sono le proprietà di aderenza al substrato, impermeabilità, resistenza all' abrasione e alla corrosione chimica, tenacità e flessibilità.

La vernice può essere stesa usando il pennello o, sempre più spesso, a spruzzo, su superfici opportunamente preparate, ossia accuratamente pulite meccanicamente o chimicamente.

Le coperture realizzate con fogli di materiali plastici sono utilizzate prevalentemente per allestire serbatoi di stoccaggio, tuttavia sempre più frequentemente vengono impiegate per coprire intere strutture edili. I fogli sono fissati mediante pressione ai supporti decapati e caldi, e uniti in modo continuo attraverso la saldatura delle giunture adiacenti.

Le smaltature sfruttano miscele di tipo minerale o ottenute da resine sintetiche.

Nel primo caso, dopo averli applicati alle superfici metalliche, gli smalti vengono cotti a temperature variabili tra gli 800 ed i 1200 °C.

La smaltatura in resina viene invece effettuata in fase in incipiente e comunque mai definitiva reticolazione. In tal modo la fase prosegue o termina in sede di cottura dei manufatti a temperature dell' ordine di 120-160 °C, coinvolgendo nell' assunzione dello stato finale la struttura superficiale del substrato. La reticolazione che ne deriva garantisce un perfetto ancoraggio del materiale coprente al supporto, con ovvi vantaggi in termini di aderenza e resistenza.

Tuttavia, utilizzando quale protezione un rivestimento superficiale permane il rischio di degrado del manufatto. Infatti, durante le fasi di movimentazione, stoccaggio, trasporto e montaggio dei manufatti possono originarsi permeabilità dei rivestimenti, piccole crepe o distaccamenti nelle coperture a causa di urti, incisioni, abrasioni ecc.Una piccola fenditura è però sufficiente a generare fenomeni di corrosione.

Una volta avviata la corrosione si formano prodotti che generalmente sono caratterizzati da un maggior volume (2-2,2 volte maggiore) e pertanto affiancano il processo ossidativo, scalzando il rivestimento protettivo e offrendo nuova superficie al progressivo deterioramento.

Vanno quindi preferiti metodi protettivi in cui supporto e copertura danno luogo ad un' unica struttura. In tal modo vengono garantite le condizioni di aderenza, impermeabilità, resistenza, tenacità e flessibilità della protezione.

Per le caratteristiche fondamentali che gli sono proprie, il rivestimento metallico a bassa corrodibilità assicura le migliori prestazioni in termini di impermeabilità e proprietà meccaniche. Tali coperture protettive possono essere ottenute mediante sistemi elettrochimici, meccanici, per termodeposizione a spruzzo ecc.

LA PROTEZIONE ELETTROCHIMICA.   Nei metodi elettrochimici si utilizzano, a proprio vantaggio, gli stessi fenomeni che stanno alla base della corrosione. Infatti, in condizioni corrosive gli elettroni vengono sottratti ai materiali che pertanto si corrodono.

E' dunque possibile sia contrastare la corrosione impedendo perdite elettroniche, sia ridurre i costi di tale danneggiamento lasciando che un metallo meno pregiato venga corroso a protezione di un altro.

Il primo metodo consiste in una protezione elettrica. Il flusso di corrente che sottrae elettroni viene contrastato applicando un secondo circuito antagonista, il quale provoca una corrente in senso contrario a quella originaria. Alternativamente, è possibile evitare che un corpo perda elettroni fornendogliene in modo continuo. E' necessario però applicare alle strutture metalliche tensioni molto basse, regolabili in maniera automatica, per evitare che siano esse stesse a provocare correnti corrosive.

Per quanto riguarda il secondo caso, come già accennato, i processi corrosivi si rivelano tanto più intensi quanto più è differente il comportamento elettrochimico dei materiali accoppiati.

Partendo da evidenze sperimentali, è stata stilata una classifica di alcuni tra i materiali metallici tecnicamente più rilevanti, in ordine decrescente di vulnerabilità alla corrosione, o, viceversa, di crescente capacità a mantenersi inalterati (nobiltà). Ogni materiale elencato in tabella svolge un' azione protettiva nei confronti dei metalli successivi.

Pertanto, mettendo in contatto, in ambiente elettrolitico, due materiali metallici si verifica che il composto che precede nella serie di nobiltà funge da cosiddetto "corpo sacrificale", cioè che si corrode e in tal modo preserva l' altro materiale.

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LO ZINCO COME PROTEZIONE

 

Lo zinco è in grado di fornire tutte le proprietà sopraesposte: garantisce infatti, qualora applicato su un articolo di ferro o di acciaio, un'ottima protezione barriera presentando elevate aderenza al substrato, impermeabilità,resistenza all'abrasione ed alla corrosione chimica, tenacità e flessibilità. Può essere applicato ad una superficie di ferro o di acciaio in un diverso numero di modi ed anche in differenti fasi di produzione del manufatto.Lo zinco è inoltre più di uno stato barriera. Infatti, se zinco e acciaio sono in contatto in presenza di un elettrolita, scorrerà una corrente dall' acciaio verso lo zinco, così che lo zinco diviene una zona anodica di produzione di elettroni mentre l' acciaio una zona catodica che consuma gli elettroni. Lo zinco, quindi, si corrode preferibilmente rispetto l' acciaio e, facendolo, protegge la superficie dell' acciaio. Tale tipo di protezione sacrificale o catodica avviene con gli anodi sacrificali di zinco o quando i rivestimenti di zinco sulla superficie dell' acciaio sono soggetti a danni meccanici (impatti, graffiature ecc.) per cui la continuità del rivestimento viene meno e la superficie dell' acciaio viene esposta all' ambiente. La protezione catodica offerta di rivestimenti d zinco dipende da :

1) dimensioni di graffi, margini tagliati, buchi e danni da impatto;

2) spessore dello strato di zinco puro.

Con lo zinco o altri rivestimenti anodici una ulteriore azione protettiva è data dalla minore discontinuità nel rivestimento come risultato della selettiva dissoluzione del rivestimento, da quando i prodotti di corrosione, a confronto insensibili alla corrosione stessa, accumulati nella zona danneggiata aumentano la resistenza al passaggio delle correnti elettrolitiche  e tendono a limitare l' avanzare dell' azione elettrochimica in tale zona. Così, un rivestimenti di zinco su acciaio fornisce tre tipi di protezione :

1) opera inizialmente fornendo un rivestimento resistente ed aderente che protegge il metallo sottostante dal contatto con l' ambiente corrosivo circostante;

2) se il rivestimento subisce danneggiamento meccanico in modo che l' acciaio venga a contatto con l' ambiente corrosivo circostante, lo zinco si corrode preferibilmente rispetto all' acciaio salvaguardandolo per le ragioni precedentemente esposte;

3) i prodotti di corrosione dello zinco spesso formano uno strato barriera sull' acciaio esposto tale che lo zinco non ha bisogno di corrodersi a lungo per proteggere velocemente l' acciaio.

Quando lo zinco si dissolve per proteggere in modo sacrificale l' acciaio, la velocità di corrosione dipenderà dalla corrente passante per unità di area, che generalmente è relazionata alla conducibilità del mezzo in cui essi sono immersi, e dalle aree relative di zinco e acciaio esposte. 

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LA TORRE EIFFEL...O I COSTI DEL NON ZINCARE !

Poiché spesso un esempio è più eloquente di molte parole ho pensato di inserire in questa panoramica sulla zincatura una divertente analisi dei costi effettuata da un corrosionista tedesco riguardante la Torre Eiffel.

La Torre Eiffel, punto di riferimento di Parigi e simbolo della Francia intera, fu progettata da Gustav Eiffel e costruita tra il 1887 ed il 1889 per commemorare la rivoluzione francese che aveva avuto luogo 100 anni prima. La Torre apparve subito come un rivoluzionario disegno, leggero e con molta luce (sia per senso estetico che per opporre poca superficie al vento così da consentire la presenza di fondamenta non troppo estese): ciò fece della Torre una struttura relativamente economica da costruire e molto piacevole da vedere.

Ma, ahimè, l'acciaio non era stato zincato. Le dimensioni, la geometria e l'altezza della Torre richiesero nel corso degli anni e richiedono tutt'ora dei lavori di manutenzione particolarmente difficoltosi. Gli uomini delle squadre di manutenzione concordano nell' affermare: " E' più importante essere un buon scalatore più che un buon verniciatore". Le operazioni di manutenzione avvengono ogni 7 anni e l'ultima è durata 14 mesi: si usano 60 tonnellate di vernice che devono ricoprire un' area di 200000 metri quadrati.

Durante questa operazione i 320 metri di altezza della torre sono revisionati da cima a fondo da una squadra di 25 verniciatori che rimuovono la ruggine, il guano degli uccelli, la vernice che si è staccata e recuperano i danni causati dall' inquinamento dell' atmosfera cittadina.

Sbalordito dai costi e dalla complessità del lavoro necessario per la manutenzione di questo monumento nazionale, dove i pittori devono usare ganci, corde, reti di sicurezza ed in modo discontinuo (ad esempio non si può verniciare al mattino prima che la rugiada non sia evaporata), un esperto corrosionista tedesco ha fatto un ipotetico calcolo dei soldi che si sarebbero risparmiati se l' acciaio della torre fosse stato zincato prima di essere messo in opera.

Egli ha fatto un' analisi del costo comparando il sistema reale della sola vernice con un cosiddetto sistema duplex, dove l'acciaio viene dapprima zincato e poi verniciato. Con un sistema duplex ogni danno alla vernice non porta alla c0orrosione dell' acciaio sottostante poiché quest'ultimo continua ad essere protetto dallo zinco che sta sotto la vernice.

Se l' acciaio della Torre Eiffel fosse stato zincato prima di essere verniciato, sarebbero state sufficienti solo 7 sedute di manutenzione, contro le 17 che hanno invece avuto luogo dal 1889. La prima seduta di manutenzione generale ( pulizia superficiale, applicazione di un primer e successiva applicazione della vernice) per un sistema duplex avviene dopo circa 25 anni. Dopo questa, manutenzioni specifiche (solo aggiunta di vernice) e manutenzioni generali prendono luogo alternativamente, dopo 5 o 7 anni rispettivamente.

Cosa significa ciò in termini di costi? Basandosi sui livelli di prezzo e sui salari attuali ed accordandosi per uno scontato prezzo di acquisto delle grandi quantità di vernice occorrenti, la zincatura effettuata prima della verniciatura (il sistema duplex) avrebbe già fatto risparmiare 10 milioni di dollari in costi di manutenzione. Usando i prezzi di oggi per calcolare i costi di costruzione e di erezione della torre, questi risparmi ammontano al 50% dei costi di costruzione.

Sebbene tale confronto sia scherzoso, esso sottolinea l' importanza dei costi di manutenzione nei progetti delle nuove infrastrutture. Così, quando si progettano nuovi edifici per il futuro, sarà meglio proteggere l' acciaio con lo zinco! 

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METODI DI ZINCATURA

Vi sono diversi metodi per rivestire degli articoli di ferro o acciaio con uno strato di zinco. Tali metodi sono molto diversi sotto molti punti di vista: danno risultati diversi (es. diversi spessori), possono avvenire in tempi diversi e con procedimenti molto differenti tra loro. Si ritiene quindi doveroso trattare , a parte i due procedimenti che vanno per la maggiore, ossia zincatura a caldo e zincatura elettrolitica, trattate a parte negli appositi capitoli, anche i metodi minori quali la sherardizzazione ed i metodi a spruzzo

 

SHERARDIZZAZIONE

Con questo procedimento si possono rivestire manufatti di ferro con uno strato uniforme di zinco a temperatura inferiore a quella di fusione dello zinco stesso.Si sottopongono gli oggetti a rotazione, insieme con polvere di zinco (grigio di zinco) e qualche coadiuvante, entro un cilindro chiuso girevole, scaldato all' esterno a circa 320-400°C. L' operazione dura da una a dieci ore a seconda degli oggetti, che comunemente sono di piccole dimensioni e di forma varia.

La polvere di zinco che si adopera è quella commerciale e contiene l' 82-85 % di metallo. Se si vuole usare lo zinco duro proveniente dalla zincatura termica, lo si deve dapprima sottoporre ad uno speciale procedimento di purificazione e granulazione.

La sherardizzazione è effettuata allo scopo di rivestire il metallo trattato con un deposito ad alto tenore di zinco, adatto alla protezione contro la corrosione. Lo strato di sherardizzazione è caratterizzato dall' essere costituito da lega zinco-ferro a concentrazione di ferro decrescente verso la superficie. Lo strato deve apparire chiaro, pulito, continuo, non deve mostrare sfogliature e deve possedere uno spessore costante.

Secondo la norma UNI 5464-69 si hanno tre classi di sherardizzazione: con 5-10 micron, con 10-30 micron e con oltre 30 micron. Al maggior spessore corrisponde maggior resistenza alla corrosione. La misura dello spessore può essere effettuata con il metodo micrografico, o con quello chimico o con quello magnetico. Il controllo dell' uniformità si esegue solo per spessori  > 30 micron con la prova di Preece (vedi zincatura termica) : il campione viene immerso 4 volte nella soluzione rameica, ogni volta per la durata di un minuto ; durante l' immersione né il pezzo, né la soluzione devono essere mossi. Dopo ogni immersione il campione deve essere immediatamente lavato in acqua corrente e ogni deposito scuro deve essere rimosso con una spazzola morbida non metallica, facendo attenzione di ripulire bene tutti gli incavi. Si asciuga il pezzo con carta da filtro e si rimette subito nella soluzione. Se non compare un deposito rosso continuo di rame metallico, il campione ha superato la prova. Se appare un deposito rosso continuo di rame metallico, questo deve essere controllato nei riguardi dell' aderenza mediante immersione in acido cloridrico (1 : 10) per 15 secondi, seguita da immediato lavaggio in acqua corrente e sfregamento con spazzola morbida non metallica. Se il rame viene rimosso e non appare la superficie ferrosa, la prova si considera positiva.

 

ZINCATURA A SPRUZZO 

Si effettua con spruzzatori a forma di pistola che funzionano ad aria compressa e possono essere caricati del metallo rivestente sotto forma di filo, di nastro, di polvere o di pezzi.

Gli spruzzatori, oltre a eventualmente polverizzare lo zinco, hanno anche l'ufficio di fonderlo con l'ausilio di una fiamma a gas. Molto noto è il metodo dello svizzero M. U. Schopp, che fa uso della fiamma ossidrica per fondere sugli oggetti la polvere di zinco spruzzata dall'apposita pistola.

La proiezione si deve fare solamente su superfici preventivamente preparate con cura. Dopo una sgrassatura accurata, se necessario bisogna creare sulla superficie una certa rugosità, che possa permettere l' ancoraggio del rivestimento che è prevalentemente meccanico. In numerosi casi è conveniente evitare il lavoro diretto dando determinati movimenti sia alla pistola, sia al pezzo e sia ad entrambi. Per esempio la pistola è dotata di un movimento di traslazione, mentre al pezzo è impressa una rotazione attorno al suo asse. Fra i vantaggi tecnici citiamo i seguenti:

- semplice messa in funzione del procedimento con apparecchiature maneggevoli e leggere utilizzabili in cantiere e in officina;

-possibilità di trattare pezzi di qualsiasi dimensione;

-un sistema di allungo, portante un ugello a getto deviato, permette la proiezione all' interno degli alesaggi;

-nessuna elevazione notevole della temperatura  (85 °C max) del pezzo trattato, per cui non si hanno deformazioni;

-depositi uniformi con spessori variabili da qualche centimetro a qualche millimetro;

-stato di superficie di alta qualità con ottima finitura (la precisione dimensionale è facilmente ottenibile per mezzo di utensili, o mola, o rettifica);

-notevoli qualità fisiche e protettive del rivestimento.

La zincatura a spruzzo realizzata con strati da 40 a 200 micron permette di ottenere una protezione contro la corrosione di eccellente durata. I manufatti trattati in questo modo comprendono: alti forni, ponti, carpenterie varie, particolari di macchine termiche o elettriche, strutture saldate, utensili, ecc. Gli strati sottili possono essere eseguiti unitamente a prodotti ceramici utilizzati in bacchette sinterizzate.

I consumi dei gas destinati ad alimentare la pistola sono: aria compressa, ca. 40 metri cubi all' ora contati all' aspirazione sotto pressione di 4,5 kg su centimetro quadrato; ossigeno 1500-2000 l/h sotto pressione da 1,2 a 3 kg per centimetro quadrato.

Il metallo base su cui viene applicata la zincatura a spruzzo, dopo adeguata preparazione della superficie, deve essere esente da macroporosità, fessurazioni od altri difetti che possano pregiudicare l' adesione o l' efficacia protettiva dei rivestimenti di zinco. Secondo la norma UNI 5101 il metallo da applicare deve essere ZN A 99,90 UNI 2013 e lo spessore del rivestimento può essere misurato con il metodo micrografico, con quello chimico o con quello magnetico.

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